Les verres bioactifs sont des matériaux particulièrement intéressants en régénération osseuse du fait de leur capacité à stimuler les cellules responsables de la croissance osseuse par les espèces qu'ils relarguent lors de leur dissolution et pour leur capacité à se lier à l'os. Au-delà de leur rôle comme matériau de comblement de défauts osseux, ils pourraient servir de support à la croissance en laboratoire de véritables greffons osseux cultivés à l'aide de seulement quelques cellules d'un patient. Afin d'être efficace, ce support doit posséder une architecture macroporeuse interconnectée pour permettre l'invasion cellulaire ainsi que la vascularisation, nécessaire à la survie des cellules. Ce travail de thèse a pour objectif la réalisation d'un tel support par l'ajout d'une étape de moussage au procédé sol-gel. Ce procédé a été utilisé pour la synthèse de matériaux aux porosités différentes permettant de déterminer une porosité plus prometteuse pour des essais in vivo qui ont montré l'invasion possible de cette mousse par des cellules osseuses. Ce procédé a de plus été rendu plus sûr par la mise au point d'une voie de synthèse alternative dans laquelle l'acide nécessaire au procédé de moussage, mais toxique, a été remplacé avec succès. Cette voie alternative a de plus permis l'organisation de la mésoporosité de la mousse. L'incorporation d'un élément d'intérêt biologique, le strontium, a été réalisé et son influence sur les propriétés et la réactivité du verre a été étudiée. Enfin, une voie de synthèse de nouveaux matériaux composites a été proposée : la grande bioactivité des verres bioactifs est conservée tout en ayant des propriétés mécaniques supérieures grâce à l'utilisation de la gélatine comme phase organique.

Dans le domaine de la chirurgie orthopédique ou maxillo-faciale, les praticiens sont confrontés à des pertes de substance osseuse qui nécessitent l'utilisation de matériaux de comblement (ou de substitution). L'utilisation de biomatériaux synthétiques (dont la disponibilité est très importante) permet de limiter les réponses immunitaires. Dans ce travail nous nous intéressons à deux matériaux : les géopolymères et le carbonate de calcium synthétique sous forme d'aragonite pure. Dans le domaine des biomatériaux de comblement, l'optimisation du compromis entre le pourcentage de porosité et les propriétés mécaniques (voisines de celles de l'os spongieux) favorise l'ostéointégration et la tenue des implants. Cette observation nous a conduit à étudier des aluminosilicates de la famille des géopolymères définis par un rapport molaire Si/ Al = 21. Les aluminosilicates synthétisés ont été associés à des phosphates de calcium : hydroxyapatite (HA), phosphate tri-calcique (TCP) et biphasique. Après traitement thermique à 500°C, les géopolymères présentent des valeurs de pH voisines de 7 ainsi qu'un bon compromis porosité/ contrainte à la rupture (en compression). Pour le CaCO3, notre laboratoire de recherches a mis au point la synthèse du carbonate de calcium sous forme d'aragonite pure. Ces matériaux ont fait l'objet d'études in vitro et in vivo afin d'évaluer leur potentiel pour une utilisation comme biomatériaux. Les cinétiques de minéralisation des implants géopolymères et du biomatériau CaCO3 ont été étudiées par PIXE (Proton Induced X-Ray Emission) et par NAA (Neutron Activation Analysis). Les résultats obtenus pour le CaCO3 par ces deux méthodes montrent un comportement in vivo similaire à celui d'un TCP utilisé comme référence (travail réalisé avec l'aide de l'ANVAR Bretagne). Les premières études in vivo réalisées sur les géopolymères ont montré que ces derniers sont ostéointégrés. Dès le délai de 1 mois, les porosités externes des implants sont colonisées par de l'os néoformé. La cicatrisation en surface des matériaux est totale à 3 mois. Les analyses par PIXE des implants confirment la consolidation de l'interface dès le délai de 1 mois.

This master’s thesis is focused on the LIBS technique for compositional differentiation and relative hardness quantification of selected geological samples. The experimental part of this thesis was conducted at the National Institute of Laser Enhanced Sciences (NILES) in Cairo, Egypt where a simple LIBS system was constructed. In parallel to the experimental work, the literature review was surveyed with the aim to give a thorough view of the history, fundamentals and all the factors related to LIBS. LIBS is a developing analytical technique, which is used to perform qualitative and semi-quantitative elemental analysis of materials (solid, liquid and gas). The fast data collection and the lack of sample preparation made LIBS be an attractive technique to be used for geological samples. This study was done to improve analytical methods for geochemical analysis of samples during different exploration phases (Mining, filed analysis, etc.), as a real-time analysis method to save money and time spent in labs. For a generation of laser induced plasma, a Q-switched Nd: YAG laser operated at 10 Hz and wavelength of 1064 nm was employed on the surface of the samples. A spectrometer fitted with an intensified charge-coupled device (ICCD) was used to disperse and detect the spectrum; then fed to a computer for recording and further processing of the data. The sample set was compiled from samples collected from different areas (South Africa and Namibia). Using principal component analysis (PCA), it was found that LIBS was able to differentiate between the samples even those of the same area. The results from the LIBS technique were correlated with subsequent analysis of the same samples by Particle-induced X-ray emission (PIXE). The feasibility of relative hardness estimation using LIBS was done by measuring the plasma excitation temperature for different samples. LIBS with its advantages as an elemental analysis technique made it possible to estimate the hardness of geological samples. Based on theory and results, an analytical technique for compositional differentiation and quantification of relative hardness of geological samples is proposed. / National Research Foundation (South Africa) / Physics / M Sc. (Physics)